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PROCEDE ET DISPOSITIF DE CARBONISATION
L'invention concerne un procédé de fabrication de charbon
de bois, ou/et de charbon actif, à partir d'une charge de bois.
L'invention concerne encore un module four pour la
fabrication de charbon de bois ou/et de charbon actif, par la
mise en uvre de ce procédé, conçu apte à recevoir, au niveau
d'une chambre de carbonisation un panier conçu apte à recevoir
une charge de bois, ladite chambre de carbonisation étant
disposée entre une chambre amont et une chambre aval, ledit
module four comportant ou étant raccordé à au moins un moyen de
chauffage extérieur à ladite charge conçu apte à générer des
premiers gaz de chauffage chauds non oxydants.
L'invention concerne encore une installation de
carbonisation, en particulier pour la fabrication de charbon de
bois ou/et de charbon actif, selon un tel procédé, comportant
plusieurs tels modules fours.
La présente invention entre dans le domaine de la
fabrication du charbon de bois à partir de matières à base de
ligno-cellulosiques d'humidité quelconque.
Pour effectuer la carbonisation du bois, on élève, de
façon connue, la température d'une charge de bois. A un certain
stade correspondant à un certain niveau de température dans la
charge, une réaction de pyrolyse est initiée. Une fois la
réaction de pyrolyse terminée, le produit résultant de la
réaction est du charbon de bois. Il est encore possible
d'augmenter la température de la charge, de façon à obtenir un
charbon de bois plus cuit. Ensuite, le moyen de chauffage est
arrêté, et la charge de charbon de bois est refroidie.
On peut classer les dispositifs de carbonisation par leur
moyen de chauffage:
- les fours à combustion partielle sont en général artisanaux ;
une partie de la charge de bois est brûlée pour carboniser le
reste de la charge.
- les fours à chauffage externe utilisent une source d'énergie
additionnelle.
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- les fours à contact de gaz chauds sont des compromis entre
les modèles précédents, et sont utilisés notamment en fours
continus industriels.
L'état de la technique est imparfait, car de nombreux
problèmes ne sont pas correctement résolus. Il est difficile et
coûteux d'utiliser du bois vert, ou humide. De ce fait il est
souvent nécessaire de sécher, en amont de la fabrication du
charbon de bois, les bois ou les chutes d'exploitation
forestière ou de scierie, pendant 3 à 6 mois. Ce séchage est
souvent effectué dans un séchoir ou un four séparé, qui
nécessite une dépense d'énergie importante.
Les petites dimensions des fours existants rendent
nécessaire la pré-découpe de la charge en menus morceaux, en
particulier pour les fours continus industriels.
Pour les fours artisanaux, le dispositif de carbonisation
est immobilisé pour refroidir le charbon, ce qui allonge les
temps de cycle de 2 à 12 jours selon la taille du four.
La surveillance du process est faite par un opérateur, et
consiste en une surveillance subjective, olfactive et visuelle
des fumées. Dans certaines installations industrielles, des
capteurs de température permettent le suivi du process.
Les fours actuels ne permettent pas un contrôle homogène
des températures de carbonisation durant le process. En fait il
existe des parties de fours beaucoup plus chaudes que voulu, et
d'autres plus froides. Le charbon résultant est très peu
homogène, ce qui réduit la quantité de charbon obtenu et nuit à
la qualité recherchée.
De nombreux procédés obligent à manipuler le charbon
durant sa carbonisation et/ou son refroidissement, augmentant
le taux de fines, de petite taille, et de faible valeur.
Différents dispositifs ont tenté de remédier à ces
problèmes. On connaît ainsi, par le document FR 2 604 181, un
four pour la fabrication de charbon de bois en panier conteneur
dans lequel circulent des gaz chauds, à une température
inférieure à 400 C, à travers la charge de haut en bas.
Le document FR 2 586 031 décrit un dispositif à plusieurs
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enceintes, correspondant chacune à une étape du procédé de
fabrication de charbon de bois : séchage, carbonisation,
ventilation, et chacune équipée de deux chaudières. L'air de
combustion est amené par ventilateur.
Un document EP 330 784 décrit des fours fonctionnant par
paire : l'un est utilisé pour la carbonisation, et les gaz
chauds produits lors de la réaction sont conduits à l'autre
four qui est utilisé pour sécher les bois humides ou verts.
On connaît, dans des domaines différents de celui de la
carbonisation du bois, des installations réutilisant, au moins
partiellement, des gaz issus de la réaction dans
l'installation. Ainsi, on connaît le document GB 1 440 236,
décrivant un four de traitement de déchets par incinération
fonctionnant en boucle continue : des gaz de distillation issus
de la réaction dans la chambre du four sont, après une
nécessaire purification, qui permet de réinjecter dans le four
des goudrons et impuretés à retraiter, séparés en deux portions
de gaz qui suivent des circuits séparés. La première portion
subit nécessairement un traitement de lavage, puis est injectée
comme combustible dans un four de réchauffage avant renvoi dans
l'atmosphère. La seconde portion est réchauffée par échange
dans ce four de préchauffage, sans contact avec le flux de gaz
de la première portion, puis réinjectée dans le four
d'incinération. Ce procédé nécessite absolument des traitements
de purification ou/et de lavage des gaz pour permettre leur
utilisation. L'installation est complexe, comporte des circuits
de gaz séparés, et la régulation des températures de gaz est
difficile. Aucune disposition ne prend en compte, pour un
traitement de carbonisation, la nécessité d'injecter dans la
charge un gaz exempt d'oxygène 02 gaz. Un tel four n'est pas
utilisable pour la conduite d'un processus de carbonisation.
Le document WO 02/48292 décrit un processus continu de
gazéification de déchets carbonés, portés, dans une chambre, à
très haute température (1300 C) en présence de vapeur d'eau et
de dioxyde de carbone. Une partie des gaz de pyrolyse issus de
la réaction est directement utilisée comme combustible. Excepté
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la possibilité d'injecter, notamment pour le démarrage, du
combustible, il n'existe pas de possibilité de régulation du
gaz de réutilisation. De plus, ce dernier n'est réutilisé que
par sa combustion obligatoire.
De telles installations, prévues pour l'incinération de
déchets, conviennent mal à la carbonisation de bois, qui est un
processus délicat au cours duquel il faut gérer une combustion
incomplète d'une charge de bois, en évitant tout emballement du
four utilisé à cet effet, et donc contrôler en permanence la
température au sein de cette charge.
Dans les fours de carbonisation existants, la durée
d'occupation des fours reste longue, ce qui nécessite la mise
en batterie de plusieurs fours pour effectuer les opérations de
séchage, de carbonisation, et de refroidissement, de la charge.
L'invention a pour but de pallier les inconvénients de
l'état de la technique en proposant un procédé de conduite
particulière du procédé de carbonisation, à partir de bois vert
ou humide, dans un module four conçu à cet effet, permettant
d'en réduire le temps d'occupation, et d'obtenir une bonne
rotation des charges, avec un bon rendement énergétique.
L'invention se propose encore de fournir les conditions de
régulation d'une bonne réaction de carbonisation au sein d'une
charge de bois, par la maîtrise des flux et des températures
des différents gaz utilisés. L'invention utilise les gaz
circulant dans le dispositif pour la conduite du processus, en
effectuant un mélange approprié des différents gaz en présence
à différents points de l'installation, pour amener, en amont de
la charge, des gaz entrants avec les meilleurs paramètres pour
initier ou/et entretenir la réaction de carbonisation avec un
rendement optimal, en particulier par un contrôle optimal de la
répartition de la température dans la charge de bois, et la
production d'un charbon de bois d'excellente qualité.
L'invention fait en sorte d'utiliser les gaz en présence
aux différents points de l'installation, tels quels, sans
effectuer de traitement de purification, lavage, ou similaire,
de façon à rendre le dispositif le plus simple possible.
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L'invention évite encore, autant que possible, la combustion
des gaz réutilisés.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de
fabrication de charbon de bois ou/et de charbon actif, à partir
5 d'une charge de bois caractérisé en ce que :
- on génère, par au moins un moyen de chauffage extérieur
à ladite charge, des premiers gaz chauds de chauffage non
oxydants, ne comportant pas d'oxygène sous forme gazeuse 02;
- on mélange lesdits premiers gaz chauds de chauffage avec
des seconds gaz de dilution , pour constituer un mélange de gaz
entrants non oxydants, ne comportant pas d'oxygène sous forme
gazeuse 02;
- on envoie ledit mélange de gaz entrants en amont dans
ladite charge pour y générer un front de pyrolyse ;
- on crée une surpression entre l'amont et l'aval de
ladite charge pour forcer ledit front de pyrolyse à la
traverser en sens unique de l'amont vers l'aval ;
- on récupère en aval de ladite charge des troisièmes gaz
sortants, dont on convoie au moins une première partie sous la
forme d'un flux desdits seconds gaz de dilution par un moyen de
convoyage, et dont une seconde partie complémentaire à la
première partie est évacuée sous la forme d'un flux de
quatrièmes gaz de service par un moyen de convoyage vers un
orifice de sortie.
L'invention concerne encore un module four pour la
fabrication de charbon de bois ou/et de charbon actif, par la
mise en uvre de ce procédé, conçu apte à recevoir, au niveau
d'une chambre de carbonisation, un panier conçu apte à recevoir
une charge de bois, ladite chambre de carbonisation étant
disposée entre une chambre amont et une chambre aval, ledit
module four comportant ou étant raccordé à au moins un moyen de
chauffage extérieur à ladite charge conçu apte à générer des
premiers gaz de chauffage chauds non oxydants, caractérisé par
le fait qu'il comporte, en amont de ladite chambre amont une
chambre de mélange conçue apte à recevoir, d'une part lesdits
premiers gaz chauds de chauffage, et d'autre part des seconds
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gaz de dilution provenant de moyens de convoyage communicants
avec ladite chambre aval, pour constituer un mélange de gaz
entrants.
L'invention concerne encore une installation de
carbonisation, en particulier pour la fabrication de charbon de
bois ou/et de charbon actif, selon un tel procédé, comportant
plusieurs tels modules fours, ladite installation comportant au
moins un foyer central générant des gaz de chauffage pour au
moins deux modules fours qui lui sont raccordés.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront de la description détaillée qui va suivre des
modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en
référence aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 représente, de façon schématisée, partielle,
et en coupe, un dispositif de mise en uvre de l'invention;
- la figure 2 représente, de façon analogue, le dispositif
de la figure 1 pendant le début d'une première phase de
démarrage du procédé selon l'invention ;
- la figure 3 représente, de façon analogue, le dispositif
de la figure 1 pendant la suite de cette première phase de
démarrage du procédé selon l'invention ;
- la figure 4 représente, de façon analogue, le dispositif
de la figure 1 pendant une seconde phase de carbonisation du
procédé selon l'invention ;
- la figure 5 représente, de façon analogue, le dispositif
de la figure 1 pendant une troisième phase de refroidissement
du procédé selon l'invention.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé et
un module four 100 de fabrication de charbon de bois, ou/et de
charbon actif, à partir d'une charge de bois 6. Un premier mode
de réalisation de l'invention est illustré sur les figures.
L'invention met en uvre un procédé innovant de
fabrication de charbon de bois ou/et de charbon actif, à partir
d'une charge de bois 6 disposée dans une chambre de
carbonisation 25, et dont la particularité est l'initiation,
par au moins un moyen de chauffage externe à la charge 6, ou
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encore extérieur à un module four 100 auquel est intégrée cette
chambre de carbonisation 25, d'un front de pyrolyse 20, suivi
de la propagation contrôlée de ce front de pyrolyse 20. A cet
effet, le procédé comporte les étapes suivantes :
- on génère, par au moins un moyen de chauffage extérieur
à la charge 6, des premiers gaz chauds dits de chauffage Gl non
oxydants, c'est-à-dire ne comportant pas d'oxygène sous forme
gazeuse 02; à cet effet on utilise de préférence une chaudière
réductrice, consommant en entrée des gaz pauvres en oxygène 02
gazeux, et délivrant en sortie des gaz qui n'en contiennent
pas ;
- on mélange ces premiers gaz chauds de chauffage Gl avec
des seconds gaz dits de dilution G2, pour constituer un mélange
de gaz entrants GO non oxydants, ne comportant pas d'oxygène
sous forme gazeuse 02;
- on envoie ce mélange de gaz entrants GO en amont dans la
charge 6 pour y générer un front de pyrolyse 20;
- on crée une surpression entre l'amont et l'aval de la
charge 6 pour forcer ledit front de pyrolyse 20 à la traverser
en sens unique de l'amont vers l'aval;
- on récupère en aval de la charge 6, au niveau d'une
chambre aval 19, des troisièmes gaz dits sortants G3 dans une
canalisation 21, gaz G3 dont on convoie au moins une première
partie sous la forme d'un flux desdits seconds gaz de dilution
G2 par un moyen de convoyage 4, et dont on évacue une seconde
partie constituée de gaz dits de service G4 complémentaire à la
première partie constituée desdits gaz de dilution G2, sous la
forme d'un flux de ces quatrièmes gaz de service G4, par un
moyen de convoyage 8 vers un orifice de sortie ou
d'utilisation, par exemple pour remplir des bouteilles en vue
d'une réutilisation de ces gaz de service G4, ou pour alimenter
une autre installation, telle qu'un séchoir ou analogue.
Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention,
les bois, ou/et produits d'exploitation forestière ou de
scierie, ou autres végétaux, qu'on appellera bois dans la
suite de l'exposé, sont rangés pour constituer une charge 6
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dans au moins un panier 7 permettant la circulation des fluides
gazeux ou/et liquides au travers de la charge 6. Ils resteront
dans ce panier 7 pendant toute la durée de l'opération de
carbonisation et de refroidissement après carbonisation
proprement dite. Ce panier 7 contenant une charge de bois 6
peut être utilisé comme une palette de préparation ainsi que de
stockage, aussi bien de la matière première que du produit
fini. Ce panier 7 peut être de très grande taille, par exemple
de quelques mètres de longueur. Ce panier peut notamment être
rempli directement en forêt. Il permet de traiter des charges
hétérogènes en essences, taux d'humidité et dimensions. Ce
panier peut être disposé selon diverses orientations, et pas
nécessairement vertical ou horizontal, même s'il s'agit de
modes de réalisations préférés de l'invention.
Le procédé selon l'invention comprend alors les étapes
suivantes :
- on dispose la charge 6 dans au moins un panier 7 dans un
dispositif étanche entre une première chambre amont 18 et une
seconde chambre aval 19;
- on génère, par au moins un moyen de chauffage extérieur
à la charge 6, des premiers gaz chauds de chauffage Gl, qu'on
amène dans une chambre de mélange 15;
- on amène, dans la chambre de mélange 15, des seconds gaz
de dilution G2 ;
- on envoie, par des moyens de circulation 5, un mélange
de gaz entrants GO fait desdits premiers gaz de chauffage Gl et
seconds gaz de dilution G2, dans la première chambre amont 18
en surpression par rapport à la seconde chambre aval 19, pour
générer dans la charge 6 un front de pyrolyse 20 qu'on force,
sous l'action desdits moyens de circulation 5, à la traverser
en sens unique depuis la première chambre amont 18 vers la
seconde chambre aval 19 ;
- on récupère dans la seconde chambre aval 19 des
troisièmes gaz sortants G3;
- on récupère au moins une partie des troisièmes gaz
sortants G3, sous la forme d'un flux des seconds gaz de
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dilution G2 qu'on convoie par des moyens de convoyage 4 vers la
chambre de mélange 15.
De façon avantageuse, on convoie le flux de second gaz de
dilution G2 par les moyens de convoyage 4 vers la chambre de
mélange 15 de façon séparée des premiers gaz chauds de
chauffage Gl.
Pour réduire le temps de refroidissement de la charge
après l'achèvement du cycle de carbonisation, on effectue
avantageusement un refroidissement de la charge 6 après
pyrolyse complète par pulvérisation d'eau dans le flux du
mélange de gaz entrants GO.
Afin de tirer tous les avantages de la maîtrise du procédé
de carbonisation au sein de la charge, on régule en flux et en
température les gaz entrants GO et on pilote une boucle de gaz,
par le contrôle des flux des gaz de chauffage Gl et des gaz de
dilution G2, ce contrôle des flux étant conçu apte à piloter la
température des gaz entrants GO, et on contrôle encore le débit
des gaz entrants GO par les moyens de circulation 5.
De façon économique, le procédé selon l'invention
n'effectue pas d'autre traitement sur les gaz sortants G3
qu'une éventuelle évacuation de condensats, à l'exclusion de
tout traitement de lavage, de combustion, d'oxydation, de
réchauffement ou refroidissement, de compression ou détente.
De façon préférée et avantageuse, on génère et on fait
progresser le front de pyrolyse 20 en sens inverse de la
convection naturelle qui s'établit dans la charge 6 de bois, ce
qui revient à dire que l'entrée des gaz en amont dans la charge
6 est de préférence d'une altitude supérieure ou égale à la
sortie des gaz en aval de cette charge.
Pour garantir l'introduction de gaz entrants GO dépourvus
d'oxygène, on génère les premiers gaz chauds de chauffage Gl
non oxydants au niveau d'un foyer central réducteur dans lequel
on produit une combustion incomplète de façon à ce que les
premiers gaz de chauffage Gl soient exempts d'oxygène gaz 02. Ce
foyer central est de préférence conçu apte à alimenter
plusieurs chambres de carbonisation, dont chacune comporte une
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charge 6 différente, et soumise à un processus de carbonisation
indépendant de celui des autres charges 6 alimentées par des
mélanges de gaz entrants faisant appel à ce même foyer central.
Dans une variante de réalisation, tel que visible sur les
5 figures, afin d'évacuer l'air introduit avec la charge 6 lors
de son chargement, on dirige la portion des gaz sortants G3,
qui n'est pas utilisée pour constituer les gaz de dilution G2,
vers des moyens d'évacuation et de mise à l'atmosphère 17,
notamment sous forme d'une cheminée, ou/et vers des moyens de
10 convoyage où cette
portion constitue des gaz de service G4
aptes à alimenter des moyens de combustion tels qu'un foyer, ou
un séchoir, ou à alimenter toute autre utilisation, soit
directement, soit au travers d'un conditionnement desdits gaz
de service en bouteilles ou similaire.
Dans un mode particulièrement avantageux de mise en uvre
du procédé selon l'invention, permettant d'obtenir un meilleur
rendement, on effectue la pyrolyse sous pression, et à cet
effet on soumet une première chambre amont 18 directement en
amont de la charge 6 ainsi qu'une seconde chambre aval 19
directement en aval de la charge 6 à une pression supérieure à
la pression atmosphérique. Si cette pression peut être très
légèrement supérieure à la pression atmosphérique, avec une
surpression dans les chambres de l'ordre de quelques milliers
de Pa, on la choisit avantageusement d'une valeur comprise
entre 10.105 et 30.105 Pa.
L'invention est particulièrement bien adaptée pour la
carbonisation de l'eucalyptus, ou des coques de noix de coco,
ou d'autres végétaux tropicaux similaires.
L'invention concerne encore un module four 100 conçu pour
la mise en uvre du procédé.
Ce module four 100 peut être mobile. Le charbon de bois
obtenu in situ est environ quatre fois plus léger que le bois.
Cette mobilité permet d'alléger le coût du transport
Ce module four 100 conçu pour la fabrication de charbon de
bois ou/et de charbon actif, par la mise en uvre de ce
procédé, est conçu apte à recevoir, au niveau d'une chambre de
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carbonisation 25, un panier 7 conçu apte à recevoir une charge
de bois 6 . Cette chambre de carbonisation 25 est disposée
entre une chambre amont 18 et une chambre aval 19.
Le module four 100 peut comporter au moins un moyen de
chauffage extérieur à la charge 6, conçu apte à générer des
premiers gaz de chauffage Gl chauds non oxydants. Ce moyen de
chauffage peut également être extérieur au module four 100,
auquel il est raccordé.
Selon l'invention, le module four 100 comporte, en amont
de la chambre amont 18 et communiquant avec elle, une chambre
de mélange 15 conçue apte à recevoir, d'une part ces premiers
gaz chauds de chauffage Gl, et d'autre part des seconds gaz de
dilution G2 provenant de moyens de convoyage 4 communicants
avec la chambre aval 19, pour constituer un mélange de gaz
entrants GO.
Ce panier 7, ou encore un logement 22, que comporte le
module four 100 entre la chambre amont 18 et la chambre aval 19
et qui est conçu apte à contenir le panier 7, est conçu apte à
interdire tout passage des gaz entrants GO hors de la charge 6
excepté dans la chambre amont 18. Le module four 100 comporte
encore des moyens de circulation 5, conçus aptes à envoyer le
mélange de gaz entrants GO en surpression dans la chambre amont
18 par rapport à la chambre aval 19.
Le module four 100 comporte des moyens de pilotage et de
régulation en flux et en température des gaz entrants GO,
conçus aptes à agir, d'une part, pour piloter la température
des gaz entrants GO. A cet effet ils agissent sur des moyens de
distribution de flux 131, notamment d'obturation, tels que
clapets ou registres, situés sur le trajet des gaz de chauffage
Gl, sur des moyens de distribution de flux 132 situés sur le
trajet des gaz de dilution G2, sur des moyens de distribution
de flux 134 sur une canalisation sur le
trajet d'une partie
constituée de gaz utiles G4 des gaz sortants G3 issus de la
charge 6, l'autre partie complémentaire des gaz sortants G3
constituant les gaz de dilution G2.
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Ces moyens de pilotage et de régulation en flux et en
température des gaz entrants GO sont encore conçus aptes à agir
d'autre part sur des moyens de circulation 5 conçus aptes à
générer un différentiel de pression positif entre la chambre
amont 18 et la chambre aval 19 pour contrôler le débit des gaz
entrants GO. Ces moyens de pilotage et de régulation sont
encore conçus aptes à commander la marche d'un foyer générant
les gaz de chauffage Gl.
De façon préférée, le module four 100 comporte une base 3
apte à recevoir au moins un tel panier 7 et un couvercle 1
conçu apte à être posé par-dessus chaque panier 7, de façon
étanche sur la base 3. Ce panier 7 est conçu apte à recevoir
une charge de bois 6, et est disposé entre une chambre amont 18
et une chambre aval 19.
De façon avantageuse, le module four 100 comporte une
trappe 11, posée de façon étanche sur le couvercle 1, et qui
est apte à s'ouvrir et se fermer pour compenser d'éventuelles
explosions de gaz possibles durant la carbonisation pour le cas
où surviendrait une entrée accidentelle d'oxygène.
De façon préférée, le panier 7 est ouvert ou perforé à
deux de ses extrémités, pour autoriser le passage des gaz ou/et
des liquides. Ces extrémités communiquent, l'une avec la
chambre amont 18 et l'autre avec la chambre aval 19. Le panier
7 est alors fermé étanche aux gaz sur ses autres côtés.
Dans une variante de réalisation, quand, de façon préférée
mais non obligatoire, on prévoit un mouvement relatif,
notamment vertical, de coulissement du panier 7 dans un
logement 22. Même si cela rend la réalisation plus délicate en
raison des étanchéités à prévoir, le panier 7 peut alors être
entièrement perforé, à condition que son logement 22 soit quant
à lui étanche aux gaz.
Contrairement à l'art antérieur des procédés à combustion
partielle où on brûle une partie de la charge 6, ce qui peut
alors nécessiter un pré-séchage, pour faciliter la montée en
température de la charge du four, avant la fermeture de
l'oxygène, selon l'invention on fait en sorte de faire
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circuler, à travers la charge 6 qui est dans le panier 7, des
gaz entrants GO à une température régulée.
Les gaz de chauffage Gl non oxydants sont de préférence
issus de la combustion incomplète de gaz de service G4. De
façon avantageuse, ces gaz de service G4 sont récupérés en aval
de la charge 6, ou de la charge 6 que comporte un autre four
100 voisin.
Selon l'invention, la chambre de mélange 15, située en
amont de la chambre amont 18 et en communication avec elle, est
apte à recevoir, d'une part les premiers gaz chauds de
chauffage Gl issus des moyens de chauffage et d'autre part des
seconds gaz de dilution G2, provenant de moyens de convoyage 4
qui sont communicants avec une canalisation 21 en aval de la
chambre aval 19. Celle-ci est conçue apte à recueillir des gaz
sortants G3 issus de la carbonisation de la charge 6. Les
moyens de convoyage 4 transportent au moins une partie des gaz
sortants G3, dite gaz de dilution G2, vers la chambre de
mélange 15 de façon séparée des gaz de chauffage Gl. Les gaz
de chauffage Gl et de dilution G2 sont mélangés dans cette
chambre de mélange 15, pour constituer un mélange de gaz
entrants GO.
Une partie des gaz sortants G3 est évacuée sous forme d'un
flux de gaz de service G4 par au moins une canalisation
notamment sous l'effet de la pression des gaz produit par la
pyrolyse. La partie complémentaire issue des gaz sortants G3,
dite gaz de dilution G2, circule dans des moyens de convoyage
constitués de préférence par une canalisation by-pass 4. Les
gaz de dilution G2 arrivent de façon séparée des premiers gaz
chauds de chauffage Gl, vers la chambre de mélange 15.
Les quatrièmes gaz de service G4 évacués par la
canalisation 8, représentent l'excès des gaz sortants G3 dans
la boucle de gaz réalisée par la mise en uvre de l'invention.
Le module four 100 comporte encore des moyens de
circulation 5, conçus aptes à envoyer le mélange de gaz
entrants GO en surpression dans la chambre amont 18 par rapport
à la chambre aval 19. Ces moyens de circulation 5, qui
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effectuent aussi le brassage du mélange de gaz entrants GO, et
sont de préférence constitués par au moins une turbine ou un
ventilateur, sont dimensionnés de façon apte à maintenir une
pression suffisante pour pousser le front de pyrolyse 20, dans
un sens de circulation unique, au travers de la charge 6,
depuis la chambre amont 18 vers la chambre aval 19. On extrait
donc l'énergie de la chambre de mélange 15 par les moyens de
circulation 5, qui imposent une vitesse de circulation dans le
four, au travers de la charge 6. Durant la phase de pyrolyse,
dès que de la vapeur est extraite de la couche le plus en amont
de la charge de bois 6, le dégagement de chaleur de la pyrolyse
est directement consommé en aval de la charge 6, soit dans le
bas dans le cas d'un four vertical tel que représenté sur les
figures. Le dégagement de chaleur dû à la pyrolyse est assez
fort pour sécher le reste du bois de la charge 6 et y amorcer
la réaction, qui est auto-entretenue.
La figure 3 montre l'initiation du front de pyrolyse 20 en
partie amont de la charge 6, les gaz de chauffage Gl assurent
seuls la fourniture d'énergie, les gaz de dilution G2 ne sont
constitués que par des gaz encore froids au niveau de la
chambre aval 19. La circulation des gaz est en régime minimal,
pour permettre l'évacuation de l'excédent de gaz dans le module
four 100 en gaz de service G4.
Une bifurcation 24 sépare les gaz de dilution G2 dans un
moyen de convoyage ou une canalisation by-pass 4 munie de
moyens d'obturation ou d'une vanne papillon 132 d'une part, des
gaz de service G4 dans un moyen de convoyage ou au moins une
canalisation 16 munie de moyens d'obturation ou d'une vanne
papillon 134 d'autre part.
Dans un mode alternatif de réalisation, le dispositif
comporte, de préférence en aval de cette bifurcation 24, après
une canalisation 8, un té de raccordement sur une canalisation
d'extraction, notamment une cheminée 17, conçue pour évacuer
l'oxygène gazeux qui est présent dans le four, notamment qui y
a été introduit sous forme d'air avec la charge de bois 6 elle-
même. Lors du démarrage de l'installation après le chargement
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d'une nouvelle charge de bois 6, on ferme les moyens
d'obturation 134 de la canalisation
interdisant ainsi tout
flux de gaz de service G4, et la canalisation d'extraction ou
la cheminée 17 évacue les gaz sortants G3 qui sont froids et
5 qui contiennent de l'oxygène gazeux. A l'apparition des
premières vapeurs en sortie de cheminée 17, il suffit de fermer
des moyens d'obturation 135 dont elle est équipée, et de
rouvrir les moyens d'obturation 134 de la canalisation de
façon à libérer le passage vers l'aval des gaz de service G4.
10 La figure 4 montre le système en marche entretenue, le
front de pyrolyse 20 progresse vers l'aval de la charge 6, la
pyrolyse assure l'énergie nécessaire, l'apport d'énergie par
les gaz de chauffage Gl est minimal pour le seul maintien de la
température, les gaz circulent à travers le by-pass.
15 Les moyens de circulation 5 sont de préférences implantés
en partie supérieure du module four 100, pour obliger ces gaz
entrants GO à circuler du haut en bas, à travers la charge 6,
en opposition à la convection naturelle.
Dans l'invention, au moins un moyen de chauffage,
avantageusement extérieur au module four 100, sert à produire
les gaz de chauffage Gl, qui sont utilisés pour apporter
l'énergie nécessaire à l'amorçage de la pyrolyse de la partie
la plus en amont de la charge de bois 6. Il comporte un foyer
réducteur, de façon à ne pas générer d'oxygène gazeux 02. Ce
moyen de chauffage peut utiliser notamment les quatrièmes gaz
de service G4. A défaut d'installations permettant d'utiliser
ces derniers, l'installation 100 comporte, ou est raccordée à,
un foyer ouvert oxydant, pour leur combustion et le rejet dans
l'atmosphère de gaz sans danger pour la santé humaine.
Dans une exécution préférée, la base 3 communique avec la
chambre aval 19 ou incorpore cette dernière, et comporte la
canalisation de sortie 8, ainsi que la canalisation by-pass 4.
Cette base 3 peut être enterrée ou posée sur un sol. Elle
comporte avantageusement une vanne 10 de sortie des condensats,
accumulés en son point le plus bas.
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Cette base 3 peut aussi constituer la chambre aval 19, ou
inférieure dans le cas d'un panier 7 monté verticalement, de
laquelle on convoie des gaz de dilution G2 vers la chambre de
mélange 15, le reste des gaz sortants G3, constitué par les gaz
de service G4, étant évacué par un autre moyen de convoyage
vers un dispositif d'utilisation ou de traitement, de
préférence par combustion tel qu'exposé plus haut. Le système
comporte ainsi une boucle de circulation des gaz permettant un
pilotage précis de la température dans la charge de bois 6.
Un avantage important de l'invention est de pallier le
problème de l'art antérieur, lié à la nécessité, avant de
traiter une nouvelle charge, d'arrêter le four et d'attendre le
refroidissement de la charge, pendant une durée importante.
Dans un mode de réalisation préféré, le panier 7 est
incorporé, au niveau de la chambre de carbonisation 25, dans un
logement 22 muni d'au moins une porte de chargement. Ce
logement 22 comporte, au moins à sa périphérie autour du panier
7, au moins un échangeur de chaleur ce dernier
étant conçu
étanche pour interdire tout passage desdits gaz entrants GO de
la chambre amont 18 vers la chambre aval 19 autrement qu'au
travers de la charge 6.
Selon l'invention, après la pyrolyse et la carbonisation
complète, au stade désiré, on pulvérise de l'eau sur la charge
6, par l'amont et de préférence par le haut. On contrôle la
température dans cette zone, afin d'assurer la vaporisation de
cette eau au contact de la charge 6, mais non le mouillage de
cette dernière. On peut ainsi abaisser rapidement en
température la chambre du four qui contient la charge 6, et
réduire la quantité d'énergie dans cette chambre.
Un refroidissement efficace et rapide de la charge 6 est
ainsi obtenu par pulvérisation d'eau dans le flux du mélange de
gaz GO. A cet effet, le module four 100 comporte des moyens de
refroidissement, comportant des moyens d'injection 9, notamment
une buse d'injection ou/et de pulvérisation ou/et atomisation,
situés dans la chambre de mélange 15, ou dans la chambre amont
18, ou dans les deux. Une pulvérisation directement dans la
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chambre 18 permet de souffler l'eau au dessus du ou des paniers
7 sans créer de choc thermique sur les moyens de circulation 5,
quand ces derniers sont constitués par un ventilateur.
La figure 5 montre la pulvérisation d'eau, la circulation
des gaz est maintenue à son maximum. L'entrée des gaz Gl est
fermée et ne fournit plus d'énergie, on évacue en G4 les
derniers gaz, on évacue ensuite en 10, notamment au niveau d'au
moins une vanne, les condensats et eaux de ruissellement.
On atteint rapidement la température de vaporisation de
l'eau à la partie supérieure de la charge 6, le refroidissement
est considéré comme terminé quand la température à la base de
cette charge est suffisamment basse, soit usuellement un peu
supérieure à la température de vaporisation de l'eau, pour
effectuer le défournement du panier 7. A l'ouverture du four
100, la charge peut prendre feu au contact de l'oxygène de
l'air ambiant. On place alors le panier 7 sous une cloche-
étouffoir, pendant un ou deux jours, afin de finaliser le
refroidissement du charbon, de préférence en zone de transit
avant conditionnement.
De façon préférée, des capteurs 12 de température ou/et de
pression haut et bas au niveau de la charge, et des capteurs 12
de débit ou/et pression ou/et température des gaz turbinés,
constituent les entrées d'un système de pilotage automatisé de
conduite du process dans l'installation, sans opérateur, par
exemple sous forme d'un automate programmable, ordinateur ou
similaire, conçu apte à commander les moyens de circulation 5
ou/et les moyens d'injection 9 et des vannes 10. Un tel système
de pilotage peut encore contrôler un ou plusieurs registres
de régulation, notamment 131 des premiers gaz de chauffage Gl
ou/et 132 des seconds gaz de dilution G2, en pression ou/et
débit, ou/et encore les moyens de régulation 134 de la
canalisation et 135 de la cheminée 17.
La mesure de l'écart de température entre l'amont et
l'aval de la charge 6 permet le contrôle simple et précis du
type de carbonisation, et donc l'obtention de charbon de bois
homogène, selon son degré de cuisson, de la qualité peu
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cuit à la qualité très cuit selon le besoin. Ceci était
impossible pour les fours artisanaux et très difficile dans la
plupart des systèmes industriels de l'art antérieur.
L'énergie fournie aux moyens de chauffage, notamment
chaudière ou foyer, pour produire les gaz de chauffage Gl, est
issue d'un combustible quelconque: bois, gaz, gaz de pyrolyse
ou autre, ou mixte.
La pesée de la charge avant enfournement et après
refroidissement permet le contrôle de rendement du module four.
Le temps de cycle est tributaire de l'épaisseur de la
charge 6 à traverser par les gaz, et est en général plus court
que les procédés de l'art antérieur, où, notamment en forêt
tropicale il est connu de réaliser seulement deux cycles de 12
jours par mois dans un même four selon l'art antérieur.
Avec l'invention, il est possible de passer très
rapidement au traitement de la charge suivante, avec des
paramètres bien stabilisés au niveau d'une chaudière
constituant les moyens de chauffage.
De façon préférée, le module four 100 est calorifugé.
Il est à noter que sur la totalité de l'énergie utilisée
pour la carbonisation, les moyens de chauffage n'en apportent
qu'une faible partie, et surtout au démarrage quand il s'agit
d'initier le front de pyrolyse 20 tout en séchant des bois
humides ou gorgés de sève. Les moyens de chauffage doivent être
dimensionnés pour permettre l'initiation du front de pyrolyse
20 et pour le soutien en température, surtout pour la fin de la
carbonisation plus endothermique. Les moyens de chauffage se
comportent donc comme un starter d'amorçage. Et on comprend
ainsi qu'un même moyen de chauffage puisse être affecté, en
même temps, à plusieurs charges dont le stade d'avancement de
la carbonisation est différent. Dans une exécution
particulière, un même moyen de chauffage peut donc alimenter
plusieurs zones de carbonisation, disposées en étoile, en
ligne, ou autre, à proximité du moyen de chauffage. Cette
organisation est très avantageuse dans le cas où ce moyen de
chauffage peut être alimenté par les gaz de service G4 issus de
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plusieurs zones de carbonisation. En outre il est possible de
gérer plusieurs charges 6 qui sont à des stades différents de
carbonisation, et de décaler leurs cycles de carbonisation, de
façon à pouvoir séquencer les opérations de chargement et de
déchargement.
La conception d'installations de production constituées de
modules four 100 contenant chacun une charge 6, répartis autour
des moyens de chauffage, rend également l'installation plus
facilement transportable, en particulier en forêt tropicale où
les accès sont souvent malaisés.
L'invention concerne encore une telle installation de
carbonisation, en particulier pour la fabrication de charbon de
bois ou/et de charbon actif, selon le procédé décrit ci-dessus,
comportant plusieurs dispositifs 100 chacun tel que décrit ci-
dessus. Cette installation comporte au moins un foyer central
générant des gaz de chauffage Gl pour au moins deux
dispositifs 100 qui lui sont raccordés.
Le rendement net, une fois déduite l'énergie apportée au
niveau du moyen de chauffage si ce dernier fonctionne au bois,
entre la masse de charbon de bois et la masse de la charge de
bois traitée, est particulièrement avantageux avec l'invention,
puisqu'il dépasse 25%, avec un taux de carbone voisin de 82%,
contre un rendement usuellement inférieur à 20% dans l'art
antérieur.
En somme, les gaz de chauffage Gl sont ceux qui apportent
l'énergie à la charge 6 au sein d'un module four, pour assurer
la température et son maintien. Ils peuvent être issus d'un
moyen de chauffage extérieur à la charge 6 mais intégrés dans
le module four 100, ou encore issus d'un moyen de chauffage
extérieur à ce module four 100 lui-même.
Les gaz de dilution G2 sont ceux qui permettent de
constituer la boucle de gaz, et, viennent en mélange avec les
gaz de chauffage Gl dans la chambre de mélange 15.
Les gaz entrants GO issus de ce mélange et amenés à une
pression adéquate par le dispositif de circulation 5 sont
véritablement les gaz de pilotage de la carbonisation.
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L'invention apporte de nouveaux avantages :
- limitation des points de surchauffe ;
- homogénéisation de la température de la charge apportée
par les flux de gaz chauds;
- bornage des valeurs des grandeurs physiques de conduite
du procédé, ainsi que des caractéristiques du produit obtenu.
En somme, selon l'invention, au lieu de brûler directement
les gaz, on n'en fait circuler qu'une partie en boucle afin
d'obtenir un flux de gaz contrôlé en température et en débit
dans la charge, l'excellent rendement du dispositif permet de
garder disponible pour un autre usage la majeure partie des gaz
issus de la réaction.
L'automatisation du procédé peut être complète, en ce qui
concerne la régulation de température, de vitesse de flux, de
pression, de débit.
La présence des moyens de circulation 5 permet de ralentir
la carbonisation, de façon à en maîtriser les paramètres. On
est ainsi certain d'éviter tout emballement caractéristique
des fours de l'art antérieur, en particulier en continu.
Le dispositif complet est mobile, aisément transportable.
L'invention est utilisable pour fabriquer du charbon
actif, grâce à la possibilité de carbonisation à haute
température, ainsi qu'a la possibilité d'injection de vapeur.
La pulvérisation présente, enfin, un autre avantage, qui
résulte de la génération de vapeur qui agit comme solvant et
agent de nettoyage du charbon de bois produit, ce qui permet de
livrer un produit propre et apte à un meilleur allumage, exigé
par certaines industries.
Les avantages qualitatifs de l'invention sont importants,
car le taux de produit non carbonisé, est très faible, voire
nul, car la traversée du flux de gaz homogénéise les
températures au sein d'une strate donnée de la charge,
contrairement au cas usuel d'un traitement statique où les
températures sont très différentes et peu reproductibles.
L'invention permet de préserver les gros morceaux, et
génère peu de fines, contrairement aux fours verticaux usuels
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où la charge descend et se casse. La réduction des
manipulations de la charge est également un facteur favorable
de préservation de morceaux de grosse taille.
